專利名稱：電荷泵電路、頻率訊號產生器與其相關方法
技術領域：
本發明涉及一種電子電路，特別是涉及一種電荷泵電路。
技術背景一個典型的鎖相回路(PLL)包含有一相位/頻率檢測器(PFD)、 一電 荷泵(CP)、 一回路濾波器(LP)以及一壓控振蕩器(VC0),圖1示出了 現有電荷泵的示意圖，在本說明書中，VDD代表一供應電壓，電荷泵包含有 電流值為I的一電流源(current source) 110、由UP訊號所控制的一開關 120、電流值為I的一電流集(current sink) 130以及由DN訊號所控制的 一開關140，其中，當UP訊號為1且DN訊號為0時，則輸出電流IOUT的電 流值為正(亦即電流向外流)，而當UP訊號為O且DN訊號為1時，則輸出 電流IOUT的電流值為負(亦即電流向內流)，而當UP訊號為O且DN訊號 為0時，則輸出電流IOUT的電^i/f直為零。然而，現有電荷泵實際上會因為電路的不理想性所導致的一些問題。首 先，由于制造過程的變異性會使得電流源110的電流值可能不會與電流集 130的電流值完全一樣；第二，開關120與140的切換動作會引起一些噪聲， 例如饋通(feedthrough )以及電荷注入(charge injection),因而導致 輸出訊號上產生電壓漣波(voltage ripple),這些電路的不理想性會造成 一些間歇性的頻率抖動(clock jitter ),也就是在頻域(frequency domain ) 中會出現多個寄生頻譜成份(spurious spectral component),特另'j是， 最強的寄生頻譜成份(亦即眾所皆知的參考突波(reference spur)),會 出現在與參考頻率頻率相同的頻率位置。由Wakayama于美國專利第6， 625， 006號中所^坡露的現有方法具有一些 缺點。第一，此現有方法具有很復雜的電路；第二，運算放大器的電壓偏移 量會降低消除不匹配的準確性；第三，此現有方法最多只能減緩UP/DN的 電流不匹配現象，但是仍然無法解決上述關于因為那些開關的切換動作所引 發的噪聲的問題。
發明內容本發明目的之一是提供一種電荷泵，以解決上述問題。本發明目的之一是提供一種電荷泵，以消除UP/ DN控制訊號的電流不匹配現象。本發明目的之一是提供一種電荷泵，以減輕因為開關的切換動作所引發 的噪聲的問題。依據本發明的一實施例，提供一種電荷泵電路，包含 一電流源，其是 由一第一邏輯訊號致能； 一電流集，其是由一第二邏輯訊號致能； 一積分電 容，耦接于該電流源與該電流集；以及一切換裝置，耦接于該積分電容與該 電荷泵電路的 一輸出節點之間，該切換裝置用于接收該第 一 與該第二邏輯訊 號，其中該切換裝置的運作對應于該第一邏輯訊號與該第二邏輯訊號。依據本發明的一實施例，提供一種應用于一電荷泵的操作方法，包含 利用一第一邏輯訊號來致能該電荷泵的一電流源，進而將該電荷泵的的一電 容充電；利用一第二邏輯訊號來致能該電荷泵的一電流集，進而將該電容放 電；以及依據該第 一邏輯訊號與該第二邏輯訊號的 一邏輯運算來判斷該電荷 泵的一輸出是否轉移到一負載裝置；其中，該電荷泵的該輸出與該電容的電 壓相對應。依據本發明的一實施例，提供一種一電荷泵的操作方法，包含每當觸 發(assert) —第一邏輯訊號時，注入電荷到該電荷泵的一電容；每當觸發 一第二邏輯訊號時，從該電荷泵的該電容汲取電荷；以及依據該第一邏輯訊 號與該第二邏輯訊號的一邏輯運算來有條件地容許儲存于該電容的電荷與一負載裝置分享共享。 特點詳述于后。
圖1為現有電荷泵電路的示意圖。圖2為本發明一實施例的電荷泵-回路濾波器電路的示意圖。圖3為圖2的電荷泵-回路濾波器電路的時序示意圖。圖4為本發明另一實施例的電荷泵-回路濾波器電路的示意圖。
圖5示出了本發明再一實施例的電荷泵-回路濾波器電路的示意圖。 圖6示出了本發明另 一實施例的電荷泵的電路示意圖。附圖符號說明110 電流源130 電流集120、 140、 SllO、 S120、 S130、 S131開關200、 200A、 200B 電荷泵-回路濾波器230、 232NAND邏輯門242 回if各濾波器234 0R邏輯門
具體實施方式
圖2示出了本發明一實施例的電荷泵-回路濾波器(charge purap - loop filter, CP-LP) 200的示意圖，此電荷泵-回路濾波器200包含有一電流源 I叩、 一電流集Idn以及一第一電容Cx,其中，電流源Iup經由一個由UP 訊號所控制的第一開關SllO來耦接于Cx,而電流集Idn經由一個由DN訊號 所控制的第二開關S120來耦接于Cx,此外，此電荷泵-回路濾波器電路200 還包含有一回路濾波器242,舉例來說，此回路濾波器242可以包含有一第 二電容Cp并聯于一RC電路(其是由電阻Rs與電容Cs構成)，但這并非本 發明的限制，而本領域的技術人員也可以加入一些額外的組件到此回路濾波 器242中，例如一額外的RC電路，以提供更多的濾波功能。請繼續參閱圖2,以節點電壓Vex所標記的電荷泵電路的輸出經由一開 關模塊來耦接于回路濾波器242,而在一實施例中，此開關模塊包含有一第 三開關S130以及一第四開關S131,其中，此第三開關S1S0是由一邏輯訊號 所控制，而此邏輯訊號是由一 NAND邏輯門230對UP訊號與一控制訊號LD 進行邏輯運算所輸出，此外，第四開關S131是由另一邏輯訊號所控制，而 此邏輯訊號是由一 NAND邏輯門232對DN訊號與控制訊號LD進行邏輯運算 所輸出。代表"檢測到鎖定狀態"的控制訊號LD是由一鎖定檢測器(lock detector)所產生(未顯示于圖2中)，并且此鎖定檢測器電路會在檢測到 使用于電荷泵-回路濾波器電路200中的鎖定回路電路(例如PLL、 DLL)
已經進入鎖定狀態時觸發(assert )控制訊號LD,而鎖定檢測器的設計為本 領域的技術人員所熟知，故不在此贅述。在另一實施例中，此控制訊號LD 是由一計時電路(timer)所產生，并且此計時電路會在鎖相回路重置后的 一預定時間之后觸發控制訊號LD。當控制訊號LD被取消Ue-assert)時，第三、第四開關S130與S140 都會被關閉，并且電荷泵-回路濾波器電路200實際上會變成跟現有電荷泵-回路濾波器電路一樣，而這個狀態會發生于鎖定回路電路重置后的一段時間 中。在控制訊號LD被觸發之后(利用鎖定4企測器、計時電路或其它方式)， 第三開關S130就會有效地由UP訊號的反向訊號所控制，而第四開關S131 則會被有效地由DN訊號的反向訊號所控制。圖3舉例說明于控制訊號LD被觸發時操作于一穩定狀態下的電荷泵-回 路濾波器200的時序示意圖，其中，為了舉例說明，假設電流源Iup的電流 值大約是電流集Idn的電流值的兩倍。如圖3所示，不論是UP訊號被觸發 (assert)或是DN訊號被觸發，這段時間稱之為階段1,而在UP訊號與DN 訊號都被取消之后的這段時間以及于再一次觸發UP訊號或是DN訊號之前的 這段時間稱之為階段2，其中，在階段1期間，不是第三開關S130就是第四 開關S131會被開啟(因為不是UP訊號被觸發就是DN訊號被觸發)，并且 電荷泵會注入或汲取電荷到Vcx,而在階段2期間，第三、第四開關SI30 與S131都會被關閉(因為UP訊號與DN訊號都被取消而未被觸發)，并且 剛剛在階段1期間新注入或汲取的電荷必須由電容Cx與回路濾波器242兩 者分享共享。于此穩定狀態之下，在階段l期間應該是有凈值為零的電荷量 傳送到Cx (否則電荷泵-回路濾波器200的輸出電壓仍然會是漂移不定，并 且鎖定回路電路會因而處于一瞬時之中)，因此，一DN脈沖的寬度會大約 是一伴隨的UP脈沖的寬度的兩倍寬(以使得從電流源Iup注入的凈電荷量 會被從電流集Idn汲取的凈電荷量會均衡地抵銷掉)。另外，如圖3所示， 一 DN脈沖從t!開始并且在t3結束，而一 UP脈沖從t2開始并且在"結束。 因為從電流源Iup來的電荷注入，會使得電壓Vcx在h之后會先線性升高， 然后又因為從電流源Iup來的電荷注入，會使得電壓Vcx在t2之后會接著線 性降低，而在時間點t3,也就是DN脈沖以及UP脈沖結束的時間點，由電流 源Iup所注入的凈電荷量必須被電流集Idn所汲取的凈電荷量均衡地抵銷 掉，如此一來，就會"f吏得在時間點h的電壓Vex與在時間點L的電壓Vex 完全相同。因為在階段l期間，傳送到CX的凈電荷量為零，所以在階段2期間不會有任何電荷可以分享共享，因此輸出電壓Vc便會保持不變，如此 一來就可以解決在現有技術中關于電壓漣波(voltage ripple)的問題。此外，請注意圖3中的波形是以一周期T。反復出現，而這個周期也就是 參考頻率的周期。本發明實施例所披露的方法原理也可以其它各種相關的變化形式來加 以實現，舉例來說，圖4示出了本發明另一實施例的電荷泵-回路濾波器電 路200A的示意圖，在圖4中是移除圖2中的第四開關S131以及NAND邏輯 門232,然后加入一OR邏輯門234的邏輯運算，而電荷泵-回路濾波器200A 同樣可以達到其效果。本發明所披露的方法原理可以成功地解決UP/DN的電流不匹配現象。 圖5示出了本發明另一實施例的電荷泵-回路濾波器200B的示意圖，其 尚可用來解決因為開關的切換動作所引發的噪聲的問題，在圖5中是用一OR 邏輯門236的邏輯運算來取代圖4中OR邏輯門234的邏輯運算，OR邏輯門 236接收UP訊號、DN訊號以及一調制訊號MOD作為輸入，其中，調制訊號 MOD本質上與參考頻率不一樣，而在階段2期間中只有當調制訊號MOD被觸 發(assert)的時候，第三開關S130才會被關閉，所以由于開關的切換動 作所引發的噪聲就會因而被調制訊號MOD所調整。此外，由于調制訊號MOD 本質上與參考頻率不相同(例如是頻率)，所以前述在參考頻率的寄生頻譜 成份就會因為這個調制的過程而被高度抑制(理論上會被完全移除)。 一實 施例，此調制訊號MOD為一虛擬隨機(pseudo-random, PN)序列，而此調 制訊號MOD可以有效地將上述被引發的噪聲轉為白噪聲(white noise)， 其中，關于產生一虛擬隨機序列的方法為本領域的技術人員所熟習，例如利 用一線性反饋移位寄存器(linear feedback shift register)來產生，因 此不在此贅述。另一實施例，此調制訊號MOD為一周期性訊號，而此周期性 訊號的基本頻率比參考頻率的頻率高很多，所以此調制訊號MOD可以有效地 將上述被引發的噪聲(如最強頻譜成份)轉到一高頻，而此高頻可以輕易的 被回i 各濾波器所濾除。圖6示出了本發明另一實施例的電荷泵的電路示意圖。 以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明的權利要求所做的均等 變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1. 一種電荷泵電路，包含 一電流源，其由一第一邏輯訊號致能； 一電流集，其由一第二邏輯訊號致能； 一電容，耦4妻于該電流源與該電流集；以及一切換裝置，耦接于該積分電容與該電荷泵電路的一輸出節點之間，該 切換裝置用于接收該第一與該第二邏輯訊號，其中該切換裝置的運作對應于 該第 一邏輯訊號與該第二邏輯訊號。 '
2. 如權利要求1所述的電荷泵電路，其中當該電流源與該電流集的至 少其一被致能時，該積分電容不連接于該輸出節點。
3. 如權利要求1所述的電荷泵電路，其中當該切換裝置接收一第三邏 輯訊號時，該切換裝置由該第三邏輯訊號所控制。
4. 如權利要求3所述的電荷泵電路應用于一頻率訊號產生器中，而該 第三邏輯訊號對應于該頻率訊號產生器的 一鎖定狀態。
5. 如權利要求3所述的電荷泵電路，其中當該切換裝置接收一第四邏 輯訊號時，該切換裝置由該第四邏輯訊號所控制。
6. 如權利要求5所述的電荷泵電路，其中該第四邏輯訊號為一虛擬隨 機訊號。
7. 如權利要求5所述的電荷泵電路，其中該第四邏輯訊號為一周期性 訊號。
8. 如權利要求7所述的電荷泵電路，其中該第四邏輯訊號的頻率高于 該第一邏輯訊號的頻率。
9. 如權利要求1所述的電荷泵電路，用于一頻率訊號產生電路。
10. 如權利要求9所述的電荷泵電路，其中該頻率訊號產生電路包括一 控制邏輯電路，該控制邏輯電路包含一鎖定檢測器，用于判斷該頻率訊號產生器是否處在一鎖定狀態，以及 據此輸出 一第三邏輯訊號，其中該控制訊號對應于該第三邏輯訊號。
11. 如權利要求10所述的電路，其中該控制邏輯電路包含有一虛擬隨 機訊號產生器，其用于產生一虛擬隨機訊號，其中該控制訊號對應于該虛擬 隨才幾訊號。
12. 如權利要求9所述的電荷泵電路，其中該控制邏輯電路接收一第四 邏輯訊號，而該控制訊號對應于該第四邏輯訊號，且該第四邏輯訊號的一頻 率高于該第一邏輯訊號的一頻率。
13. —種應用于一電荷泵的操作方法，包含利用一第一邏輯訊號來致能該電荷泵的一電流源，進而將該電荷泵的的 一電容充電；利用一第二邏輯訊號來致能該電荷泵的一電流集，進而將該電容放電；以及依據該第一邏輯訊號與該第二邏輯訊號的一邏輯運算來判斷該電荷泵 的 一輸出是否轉移到 一 負載裝置；其中，該電荷泵的該輸出與該電容的電壓相對應。
14. 如權利要求13所述的方法，還包含當該電流源與該電流集中至少其一被致能時，停止轉移該電荷泵的該輸 出到該負載裝置。
15. 如權利要求13所述的方法，還包含 接收一第三邏輯訊號；以及依據該第一邏輯訊號、該第二邏輯訊號與該第三邏輯訊號的一邏輯運算 來判斷該電荷泵的該輸出是否轉移到該負載裝置。
16. 如權利要求15所述的方法，其中該電荷泵應用于一頻率訊號產生 器中，該第三邏輯訊號對應于該訊號產生器的一鎖定狀態。
17. 如權利要求15所述的方法，其中該第三邏輯訊號為一虛擬隨機訊—，
18. 如權利要求15所述的方法，其中該第三邏輯訊號的一頻率高于該 第一邏輯訊號的一頻率。
19. 一種一電荷泵的操作方法，包含每當觸發一第 一邏輯訊號時，注入電荷到該電荷泵的一電容； 每當觸發一第二邏輯訊號時，從該電荷泵的該電容汲取電荷；以及 依據該第一邏輯訊號與該第二邏輯訊號的一邏輯運算來有條件地容許 儲存于該電容的電荷與一負載裝置分享共享。
20. 如權利要求19所述的方法，還包含有當該第 一邏輯訊號與該第二邏輯訊號中至少其一被觸發時，停止將儲存 于該電容的電荷與該負載裝置分享共享。
21.如權利要求19所述的方法，其中該電荷泵應用于一頻率訊號產生器中，該方法還包含檢測該訊號產生器的一鎖定狀態，并據此輸出一第三邏輯訊號；以及 依據該第一邏輯訊號、該第二邏輯訊號與該第三邏輯訊號的一邏輯運算來有條件地容許儲存于該電容的電荷與該負載裝置分享共享。
全文摘要
一種具有消除電流不匹配與抑制頻率饋通的功能的電荷泵，其包含一電流源；一電流集；一積分電容，耦接于該電流源與該電流集；以及一切換裝置，耦接于該電容與該電荷泵電路的一輸出節點之間。該切換裝置依據該第一與該第二邏輯訊號的一邏輯運算來判斷該電荷泵的一輸出是否轉移到一負載裝置。
文檔編號H03L7/089GK101123434SQ20071009211
公開日2008年2月13日 申請日期2007年4月2日 優先權日2006年3月31日
發明者劉仁杰, 李朝政 申請人:瑞昱半導體股份有限公司